Какие виды релейной защиты существуют

С помощью защитного реле реализуется предписанная нормативами и правилами безопасность электроустановок. Минимизируются, исключаются последствия замыканий, ненормальных режимов функционирования, перегрузок, что также обезопасит связанные конструкции и сеть в целом. В систему часто интегрируется сигнализация. Рассмотрим назначение, какие виды РЗиА применяются, для каких электроустановок, их составляющие и алгоритм функционирования.

Понятие релейной защиты и автоматики (РЗиА)

Правила техэксплуатации и устройства электроустановок (ПУЭ, ПТЭ) регламентируют применение релейных типов защиты. Данные приборы, а скорее, комплексы специальных элементов, часто совмещаются с автоматикой, поэтому сокращено называются РЗиА (а также это сокращение без «и» или РЗ).

По нормам ПТЭ силовые узлы и линии электроустановок — электростанций, подстанций, электросетей — защищаются от коротких замыканий (КЗ), ненормальных состояний, сверхнагрузок узлами РЗ и автоматики. Такие устройства интегрируются в конструкции, являются их частью (закладываются еще на стадии проекта), реже — монтируются к ним отдельно. Должны по правилам быть в постоянном состоянии готовности (ожидания), за исключением выводящихся из задействования согласно особенностям их задач, принципа конструкции, режимов энергообъектов, требованиям избирательности (селективности). Узлы сигнализации (предупреждение и сообщение о развитии поломок) должны также всегда быть готовыми к активации.

Где применяется

РЗиА ставят на электростанциях, генераторах, на любых электроустановках, на подобных габаритных мощных устройствах, то есть сфера использования не ограниченная, если релейная защита необходима по проекту. Область применения конкретизируется ПУЭ:

Содержание главы 3.2 ПУЭ:

Для чего применяется РЗиА

Что такое релейная защита объясним более конкретно, описывая ее назначение. При задействовании электрооборудования, сетей, всегда сохраняются риски их повреждений, некорректные режимы, часто их невозможно избежать или такие условия характерные для работы ЭУ. Наиболее критические — перегрузки и КЗ. Причины: пробои, повреждения изоляционных частей, разрывы, ошибки работников, например, отсоединение узлов под нагрузкой, неправильная подача на заземленные конструкции напряжения.

КЗ на участке, где оно возникло, провоцирует появление электродуги, термическое влияние которой ведет к, как правило, бесповоротному разрушению токоведущих элементов, изолирующих частей, электроустройств в целом (реже, но такие случаи весьма распространенные). При этом на поврежденный сегмент подводятся высокие токи короткого замыкания в тысячи ампер. Возникает почти моментальный нагрев, за секунды элементы накаляются. Термические процессы также повреждают исправные участки, происходит развитие неполадки, пожар. На связанных магистралях, объектах параметры электричества глубоко понижаются, что причиняет остановку электромоторов, функционирование параллельно задействованных конструкций, генерирующих приборов, критически нарушается.

В описанных ситуациях важно моментально остановить развитие последствий, обычно этого достаточно для полного предотвращения аварий. Указанное достигается оперативным отключением опасного участка ЭУ, сети — автоустройствами, функционирующими на расцепление контактов, обесточивание. Это и есть релейного типа защита, она же РЗ или РЗиА.

Задачи РЗ

РЗ деактивирует выключатели конструкции с неполадкой, при этом электродуга гаснет или даже не успевает возникнуть. Моментально останавливается течение ампер КЗ, параллельно на исправной части ЭУ или в сети восстанавливаются нормальные величины электричества. Минимизируются, исключаются повреждения оснащения с КЗ, нормализуется режим рабочего оборудования.

Задачи:

• выявляет точку КЗ, локацию поломки;
• быстро обеспечивает автоотключение, отделяет оснащение с небезопасным фактором, опасный сегмент от рабочих конструкций, сетей;
• фиксирует неполадку и сообщает о ней, предупреждает о возможности аварии;
• создает выдержку перед деактивацией, если это необходимо.

Особенности

Возможны и другие нарушения на ЭУ: перегрузка, замыкание различного рода, образование газовых масс в трансформаторах, понижения там объема масла и пр. Если такие неполадки не опасные, самоустраняются, может не требоваться моментальное обесточивание. Обычно при наличии на ЭУ постоянного обслуживания специалистами хватит выдачи им уведомления. В иных случаях достаточно отключения, но с паузой.

Реле РЗ — это приборы, узлы с автоматическим принципом, осуществляющие изменение характерного периодического типа («релейное действие», скачками) при установленной трансформации (модификации) наблюдающихся характеристик.

Проще говоря, РЗ при фиксации нарушений параметров ЭУ производит обесточивание, разводит контакты. Пример: реле при критическом возрастании Ампер на контролируемой цепи (туда заведена его токовая намотка) до прописанной отметки расцепляет соединения.

Прибор РЗ — это взаимодействующая система реле и узлов вспомогательных, автоматических, устройств, отключающих оборудование, когда оно повреждается, при ненормальных состояниях.

Виды

Сначала опишем отдельно логическую защиту для шин, сокращенно — ЛЗШ. Принцип: сравнивает состояние защит питающих частей и отходящих фидеров (отводов кабеля). Образец алгоритма: защита на одном из последних отключилась, значит, на нем КЗ; не стартовала на них вообще — КЗ на шинных элементах. При КЗ на отводе активируются защиты (токовые расцепители) на нем и на узлах питания участка (вводы ТТ, выключатели сегмента).

Далее, по факту сработки происходит блокировка отключения питающих частей без паузы. При КЗ на шинных частях распределительной схемы запуск РЗ на отводах не происходит, и при активации таковой на питающих узлах она допускается без выдержки.

Остальные виды релейной защиты:

Автоматика

Электроавтоматика, в отличие от РЗ, не только отключает оснащение, но и включает. В первую очередь, это автовключения: повторное (АПВ) и резерва питания (АВР).

Есть также разновидности с контролем персоналом оснащения релейной защиты, это автоматика:

• регулировка задействования генераторов, синхронных моторов (АРВ);
• для выключателей (АУВ), для резервирования их отказов (УРОВ);
• контроль позиций переключателей ТТ (АРНТ);
• настраивание дугогасящих обмоток (АРК), статконденсаторов;
• трансформаторное охлаждение;
• наладка (синхрон) генераторов;
• частотный старт гидрогенераторов (АЧП);
• выявление мест неполадок цепей (ОМП).

Противоаварийная:

• режимная:
  • частотн. разгрузка (АЧР)
  • задействование деактивированных АЧР систем (ЧАПВ);
  • авторегулирование частоты и действующей мощности (АРЧМ);
  • авторазгрузка по напряжению (ДАРН); по току (ДАРТ);
• системная (на особо мощных ЭУ, электростанциях):
  • разгрузка;
  • исключение ассинхрона, повышения напряжения;
  • балансировочная.

Устройство

Рассмотрим устройство в процессе описания действия РЗиА:

Требования к РЗиА

Требования к релейной защите исчерпывающе прописаны в ПУЭ (Р. 3 Гл. 3.2), а также в многочисленных пособиях — смысла дублировать их в статье нет. Обобщим их так, чтобы читатель смог сориентироваться, на что обратить внимание, быстро найти и уточнить их в указанных источниках.

Выполнением каких принципов обеспечивается работоспособность

Нарушения в работе РЗиА при некорректном подборе, монтаже, несоблюдении норм:

• ложные тревоги при исправной ЭУ и сети;
• ненужные активации, например, когда сработка исполнительных узлов излишняя;
• повреждения конструкции РЗ.

ПУЭ и связанные нормативные акты предъявляют требования, с помощью которых исключается перечисленное выше (касаются проекта, монтажа, настройки и запуска, техобслуживания):

• соблюдение по классам, уровням надежности;
• чувствительность;
• быстрота сработки;
• селективность — обеспечение уровней активации защиты в правильном порядке. Этот параметр тесно связанный с предыдущими двумя.

Надежность

Определяется такими характеристиками:

• безотказностью;
• соблюдением количества заложенных при создании РЗ циклов сработки;
• ремонтопригодностью;
• продолжительностью службы, сохраняемость. Ее должен гарантировать производитель, конструктор согласно ТУ (которая обязательно согласовывается с ГОСТами, ПУЭ) продукции. Изделие должно иметь паспорт и сертификат.

Каждая позиция имеет свою оценку, указанную в техдокументации, в утвержденном согласно нормативным документам проекте.

Есть 3 позиции по надежности при ТО и эксплуатации РЗ по активации: при КЗ внутренних на рабочих локациях, за их границами, при функционировании без неисправностей. Надежность бывает 2 типов: эксплуатационная и аппаратная.

Чувствительность

Требования, предъявляемые к РЗА, релейной защите в первую очередь касаются функциональных настроек, так как фиксация пороговых значений, нарушения уставок подразумевают наличие у РЗ определенной чувствительности.

Надо правильно определить, какая предполагаемая степень нарушения режима, перегрузки является опасной, и подобрать под нее соответственно настроенный вариант РЗ.

Есть уравнение для чувствительности (ее числового значения) при возникновении КЗ. Применяется специальная характеристика — Кч, коэффициент.

Кч = Iкз min/Iсз

Расчет: отношение наименьшего тока КЗ рабочего участка к величине тока активации. РЗ нормально функционирует при Iсз < Iкз min. Наиболее оптимальная чувствительность (коэфф.) — 1.5–2.

Быстродействие

Быстрота обесточивания имеет 2 составляющие:

• сработка защитных алгоритмов с командой на нижеуказанный узел;
• задействование привода выключателя.

Реагирование по времени регулируемое в диапазоне мин.-макс. значения в зависимости от возможностей устройства релейной защиты, применяемых элементов. Задержка сработки создается внедрением специальных реле с возможностью настройки, такая опция используется для наиболее отдаленных защит. РЗ размещенные ближе к месту неполадки, к защищаемому участку настраиваются на более короткий временной интервал активации или применяются без него.

Селективность

Второе название данной характеристики — избирательность. Опция позволяет определить место повреждения в схемах любой сложности.

Генератором вырабатывается и подается электричество потребителям на сегментах 1–3 (каждый со своей защитой). При КЗ на приборе потребителя на 3 промежутке, ток течет по всем узлам РЗ, начиная от источника энергии. В таких условиях целесообразно отключать цепь сегмента с неисправностью, например, электромотора, оставляя задействованными остальных исправных потребителей. С этой целью есть возможность делать уставки РЗ для каждой цепи. Обычно такие особенности закладываются еще на стадии проектирования.

Защита 5 3-го сегмента должна фиксировать токи неполадок раньше, и оперативнее активироваться, отключая поврежденные сегменты от цепей. Поэтому величины токово-временных уставок на каждом промежутке снижаются от генератора к потребителю. Прицип: чем дальше от локации поломки, тем меньшая чувствительность. Так одновременно реализуется резервирование, учитывающее возможность эффективной защиты при неполадках любых приборов, включая и системы РЗ более низкой ступени. Описанная схема означает, что при поломке самой защиты 5 сегмента 3 при аварии должны активироваться приборы защиты 3 или 4 промежутка 2. А эти секции, в свою очередь, подстраховываются защитными узлами сегмента 1.

Нюансы управления

РЗ выполняется отдельным блоком, является самостоятельной схемой, несмотря на то, что зачастую интегрируется в саму конструкцию ЭУ. Такие узлы входят в общие комплексы, составляющие систему антиаварийного контроля энергосистемы, где все узлы взаимосвязаны, реализуют поставленные задачи вместе.

Ниже схема (упрощенно) функций и действий автоматики:

Схема

Разновидностей, комбинаций, мест релейной защиты на сетях и в ЭУ чрезвычайно много. Есть также стандартизированные варианты, своеобразные шаблоны — принципиальные схемы.  Но независимо от сложности любой чертеж можно понять, только научившись его читать. Этот навык необходим для работы с РЗиА.

По важности и сложности «принципиалки» комплектов РЗиА вторые в проекте всей системы электрооборудования. Во всех случаях — при разработке или для проверки готовых схем потребуются хотя бы минимальные навыки в электротехнике. Даже специалистам порой сложно разобраться в схеме РЗ на элементарном вводе трансформаторов 10 кВ, не говоря уже в целом для подстанции 110/10 кВ.

Рассмотрим прием, упрощающий понимание чертежей. Нижеописанный метод стандартный и распространенный, он не наносит ущерб качеству анализа.

Разбивка схемы на части

Целая схема чрезвычайно сложная для восприятия, поэтому ее условно разделяют на обособленные участки и анализируют каждый отдельно.

Рассмотрим РЗиА с терминалами на микропроцессорах, разделим чертеж на 10 позиций:

• поясняющая;
• цепи:
  • измерений (тока, напряжений);
  • механизма выключателя;
  • задействованного тока (оперативного), в том числе питание терминала;
  • сигнализации;
  • выходные, в том числе ТС и резерва;
  • АСУ;
  • вспомогательные (обогрев, свет, розетки и пр.);
• список элементов, может быть отдельно;
• параметрирование, изложенное в таблицах и логических схемах. Также могут выделяться отдельно.

Не каждый комплект РЗ содержит все 10 позиций, но отсутствие какой-либо должно быть обосновано, если же это невозможно сделать, то в наличии ошибка в схеме.

Указанный метод — это своеобразный чек лист, система анализа. Полученные результаты можно зафиксировать списком с галочками напротив пунктов и передать исполнителю перед конструированием.

Пример проверки: обосновывается отсутствие цепи привода в ТН 10 кВ (позиция 2 в разделе «цепи» списка) тем, что ячейка последнего без выключателя, и это логично. Если же ответа на поставленный вопрос, например, почему по вводу 10 кВ в РЗ отсутствуют данные параметрирования, нет, то в наличие ошибка, особенно для терминалов с гибкой логикой.

Типовые ошибки схем:

• в токовых цепях — неправильная полярность при подсоединении ТТ к терминалу;
• цепи привода — взвод (готовность к активации). Может быть неправильное смыкание, разомкнутость. Надо проверять сопоставляя с алгоритмом терминала;
• цепи оперативных токов — ключи контроля, режима управления (МУ/ДУ);
• цепи дуговой защиты, конструкции с генерированием особенно подвержены таким сложным ошибкам.

Пример разбивки схемы и прочтения

Для объяснения мы взяли популярный пример из интернета, к нему также в сети есть видеоматериалы. Схему покажем по частям (соединяются в горизонтальной плоскости), так как она достаточно большая.

Чертеж для РЗ с электромеханическими реле, выключателем ВВТЕЛ Тавридаэлектрик (без терминала, это не цифровая конструкция на микропроцессорах) линии 10 кВ на подстанции 110/10 кВ:

Вторая часть схемы:

Третья часть схемы:

Схема доступная в сети, для ее открытия потребуются специальные программы для чертежей. Далее, выделим и покажем части.

Поясняющая схема:

Измерительные цепи (электромеханика, МТЗ, МТО, цепи питания от переменного опертока привода выключателя, счетчики преобразователи):

Цепи привода (блок питания и управления, цепи электромагнитов):

Цепи оперативного тока (автомат, исполнительные реле, блок питания):

Дуговая защита относится к цепям опертока:

Цепи аварийной и предупредительной сигнализации световой, центральной (ниже):

Выходные цепи (в данном случае это то, что входит в телесигнализацию):

Вспомогательные цепи:

Перечень элементов:

В данном примере нет таблиц логики, данных параметрирования, цепей АСУ, параллельной защиты автоматики, так как эта релейная защита без терминала, не на микропроцессорах.

Видео по теме